Lorentz-Invarianz bestätigt

Die Lichtgeschwindigkeit hängt nicht von der Ausbreitungsrichtung ab – das zeigt ein neuer Test mit bisher unerreichter Messgenauigkeit.

Wie ein Experiment in einem Inertialsystem abläuft, sollte weder von der Orientierung des Systems noch von seiner Bewegung abhängen. So postuliert es das Prinzip der Lorentz-Invarianz, die der Speziellen Relativitätstheorie zu Grunde liegt. Seit Michelson 1881 in Potsdam zu zeigen versuchte, dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Orientierung und der gleichförmigen Bewegung des Messgeräts ist, hat die Lorentz-Invarianz zahlreiche Tests bestanden. Kleine Verletzungen der Invarianz sind jedoch im Rahmen einer Weiterentwicklung des Standardmodells der Elementarteilchen oder einer Quantentheorie der Gravitation möglich. Ein neuer Test hat nun die Gültigkeit der Lorentz-Invarianz mit sehr hoher Präzision bestätigt.

Bei diesem Test haben Christian Eisele, Alexander Nevsky und Stephan Schiller an der Universität Düsseldorf überprüft, ob sich das Licht in zwei gleichen Hohlraumresonatoren unterschiedlich ausbreitete, die horizontal ausgerichtet waren aber senkrecht zueinander standen. Beide Hohlräume befanden sich in einem drehbar gelagerten Glasblock, der einen sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten hatte und bei konstanter Temperatur im Vakuum schwingungsfrei gehalten wurde. Die Längen der Hohlräume waren somit praktisch konstant.

Mit einem Laser regten die Forscher in den Resonatoren stehende Lichtwellen an, deren Frequenzen mit opto-akustischen Modulatoren auf die Resonanzfrequenz des jeweiligen Hohlraums abgestimmt wurden. Aus den beiden Resonatoren wurden Lichtwellen ausgekoppelt und überlagert. Anhand der Schwebungsfrequenz der beiden Wellen ließ sich die Differenz der Resonanzfrequenzen der Hohlräume sehr genau ermitteln. Der Glasblock mit den Hohlräumen konnte um eine senkrechte Achse gedreht werden. Die Forscher ließen den Block mit konstanter Geschwindigkeit in 90 Sekunden einmal rotieren, und zwar im Laufe von 13 Monaten insgesamt 175000 Mal. Dabei wurde die Schwebungsfrequenz im Sekundentakt gemessen.

Im Laufe einer Rotation änderten die beiden Hohlräume ihre Orientierung im Raum. Die Forscher argumentierten nun so: Hinge die Geschwindigkeit des Lichts von seiner Ausbreitungsrichtung ab, so wäre die Resonanzfrequenz eines Hohlraums bei konstanter Hohlraumlänge ebenfalls richtungsabhängig. Die gemessene Schwebungsfrequenz würde sich dann im Takt der Rotationen periodisch ändern. Aus Symmetriegründen würde sie sich mit der Periode T=45s wiederholen.

Die Forscher haben die gemessenen Schwebungsfrequenzen deshalb mit folgender (hier vereinfachter) Formel beschrieben: f = B(t) sin(2πt/T) + C(t) cos(2πt/T). Dabei nahmen sie an, dass die Amplituden B und C eine langsame Zeitabhängigkeit besaßen. Damit berücksichtigten sie die Orientierungs- und Geschwindigkeitsänderungen, denen der Glasblock auf Grund der Erdrotation und der Bahnbewegung der Erde um die Sonne ausgesetzt war. Es zeigte sich jedoch, dass die für B und C nach jeder Rotation des Glasblocks ermittelten Werte nahezu perfekten Gauß-Verteilungen folgten, deren Mittelwert 0 und deren Varianz kleiner als 10^-15 war. Wurde über gut 135000 Messwerte gemittelt, so wichen die Mittelwerte von B und C nur um 10^-17 vom Wert 0 ab.

Schiller und seine Kollegen schließen daraus, dass die Anisotropie der Lichtausbreitung aufgrund der Bewegung des Sonnensystems relativ zum kosmischen Strahlungshintergrund kleiner als 0,6 × 10^-17 ist, während die Anisotropie einer Erweiterung des Standardmodells kleiner als 2 × 10^-17 ist. Die Natur setzt der Kreativität der Theoretiker also sehr enge Grenzen.

RAINER SCHARF

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Ch. Eisele, A.Yu. Nevsky, and S. Schiller: Laboratory Test of the Isotropy of Light Propagation at the 10^-17 Level. Phys. Rev. Lett. 103, 090401 (2009)
  dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.103.090401
• Institut von Stephan Schiller an der Universität Düsseldorf:
  www.exphy.uni-duesseldorf.de/WelcomeInst.html
  www.exphy.uni-duesseldorf.de/ResearchInst/WelcomeFP.html

Weitere Literatur:

• S. Schiller, P. Antonini, and M. Okhapkin: A precision test of the isotropy of the speed of light using rotating cryogenic optical cavities. Springer Lecture Notes in Physics (2006), J. Ehlers and C. Lämmerzahl, eds.
  arxiv.org/abs/physics/0510169
• Ch. Eisele et al.: A crossed optical cavities apparatus for a precision test of the isotropy of light propagation. Opt. Commun. 281, 1189 (2008)
  dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2007.10.071
  

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